Đang tải... (xem toàn văn)
luận văn về thiết kế hệ thống tái sinh năng lượng tận dụng quán tính cho ô tô hybrid bốn chỗ
Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 18 THIẾT KẾ HỆ THỐNG TÁI SINH NĂNG LƯỢNG TẬN DỤNG QUÁN TÍNH CHO Ô TÔ HYBRID BỐN CHỖ DESIGN OF REGENERATIVE ENERGY UTILIZATION INERTIA SYSTEM ON FOUR-PASSENGER HYBRID CARS SVTH: PHẠM VĂN DƢƠNG Lớp 03C4A, trường Đại học Bách khoa. GVHD: THS. LÊ VĂN TỤY KS. PHẠM QUỐC THÁI Khoa Cơ khí Giao thông, Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng. TÓM TẮT: Đề tài nghiên cứu thiết kế hệ thống tái sinh năng lượng dành cho ô tô Hybrid bốn chỗ theo phương án tận dụng năng lượng quán tính dư thừa của xe (thông thường bị biến thành nhiệt) biến thành năng lượng điện và tái sử dụng. Phương án được thiết kế như sau: Năng lượng quán tính dư thừa được tận dụng để kéo bánh đà, mô men quán tính của bánh đà dùng để kéo máy phát điện cung cấp điện nạp lại cho ắc quy trên xe. ABSTRACT: The Topic study and design of regenerative energy system on four-passenger hybrid cars by virtue of alternate utilization excess inertia energy of cars (normal it modified get heat) get electric power and reuse. Design solution following: excess inertia energy utilized to drive flywheel, inertia moment of flywheel used to drive electric generator delivery energize charge input cars battery. 1. Đặt vấn đề. Năng lƣợng truyền thống (năng lƣợng hóa thạch) đang ngày càng cạn kiệt, ô nhiễm môi trƣờng ngày càng gia tăng đang là những vấn đề mang tính toàn cầu. Để đáp ứng với tốc độ phát triển ô tô của nhân loại mà lại giải quyết đƣợc hai vấn đề trên, các nhà khoa học đã đƣa ra nhiều giải pháp – cải thiện động cơ Diesel, sử dụng nhiên liệu (lỏng, khí) thay thế, dùng pin nhiên liệu, ô tô lai – trong đó ô tô lai Hybrid (sử dụng hai nguồn động lực là động cơ xăng + động cơ điện bổ sung công suất cho nhau và tự khắc phục nhƣợc điểm của nhau) là giải pháp hữu hiệu nhất đối với thực tại nên đang đƣợc nghiên cứu phát triển rất mạnh. Điều đặc biệt là loại ô tô này có hệ thống tái sinh năng lƣợng tận dụng quán tính nên càng tiết kiệm nhiên liệu và giảm thiểu ô nhiễm hơn nữa, nhƣng còn nhiều nhƣợc điểm nên em chọn đề tài này khai thác thiết kế. 2. Nội dung. 2.1. Phân tích chọn phương án thiết kế. Các loại ô tô Hybrid hiện tại sử dụng phƣơng án tái sinh là tận dụng quán tính để kéo máy điện lƣỡng dụng (động cơ điện trở thành máy phát khi tái sinh) hoặc dùng máy phát điện riêng cho hệ thống tái sinh. Các phƣơng án này có nhƣợc điểm là nối cứng tốc độ máy phát với hệ thống chuyển động nên khi phanh, máy phát biến đổi tốc độ rất nhanh sẽ sinh ra thế hiệu và dòng điện rất lớn do từ thông máy phát biến đổi lớn nhƣng trong một thời gian rất ngắn nên dễ gây hƣ hỏng thiết bị, hiệu suất và công suất tái sinh rất thấp. Phƣơng án tận dụng quán tính vào bánh đà đƣợc phân tích và có thể khắc phục đƣợc các nhƣợc điểm trên nên đƣợc chọn nghiên cứu thiết kế. Kiểu lai hỗn hợp có khả năng tái sinh năng lƣợng tốt nhất nên chọn TP CH KHOA HC V CễNG NGH, I HC NNG - S 2(25).2008 19 kiu lai hn hp v phng ỏn tỏi sinh nng lng tn dng quỏn tớnh tớch tr vo bỏnh thit k cho ti. 2.2. Thit k phng ỏn b trớ chung trờn xe v b trớ h thng tỏi sinh nng lng. Qua nghiờn cu v phõn tớch, em a ra phng ỏn thit k h thng tỏi sinh nng lng v b trớ trờn xe nh hỡnh 1, v trớ lp t h thng l di khung xe. Hỡnh 1. Thit k truyn ng v b trớ h thng tỏi sinh. a)-B trớ h thng trờn xe; b)-S truyn ng ca h thng. 1-ng c xng; 2-Mỏy phỏt in; 3-B bỏnh rng hnh tinh; 4-ng c in; 5-Bỏnh xe ch ng; 6- Vi sai bỏn trc; 7-Bỏnh ; 8-Mỏy phỏt; 9-Truyn ng ai thang; 10-Bỡnh nhiờn liu; 11-c quy; 12-Khp ni; 13-Bin mụ thy lc. Nguyờn lý lm vic, xem hỡnh 2: Khi nh bn p ga n ht hnh trỡnh (xe gim tc, chy trn, xung dc hay phanh) thỡ cui hnh trỡnh bn p cú mt cụng tc in 13 iu khin 14 úng ly hp li. Cụng sut c truyn xung bỏnh dn ng mỏy phỏt in ca h thng tỏi sinh. Khi tc xe gim quỏ nhanh thỡ bin mụ thy lc s tỏch ni cng tc vi h thng chuyn ng v hn na nú vn truyn vi mụ men nh hn xung bỏnh nờn bỏnh khụng b hóm li theo m tip tc quay theo quỏn tớnh, mỏy phỏt vn quay cp in. Nu tc (cụng sut) truyn xung bỏnh m ln hn tc ang quay ca bỏnh thỡ bin mụ 3 11 12 10 5 A A 2 4 6 7 5 9 8 1 A A 13 14 Maỷch õióửu khióứn ly hồỹp 1 Hỡnh 2. S tng th ca h thng tỏi sinh thit k. 1-Ly hp; 2-B truyn bỏnh rng nún; 3-Bin mụ thy lc; 4-Bỏnh ai ch ng gim tc; 5-ai thang; 6-Bỏnh ; 7-Bỏnh ai b ng gim tc; 8-Bỏnh ai ch ng tng tc; 9-Bỏnh ai b ng tng tc; 10-Mỏy phỏt; 11-Bỏnh rng bao ca vi sai bỏn trc; 12-Bỏnh rng truyn lc; 13-Cụng tc cui hnh trỡnh bn p; 14-Solenoid. Tuyn tp Bỏo cỏo Hi ngh Sinh viờn Nghiờn cu Khoa hc ln th 6 i hc Nng - 2008 20 li truyn cụng sut xung tng tc bỏnh . H thng lm vic hon ton t ng. Xe khụng cũn phanh, gim tc, hay xung dc thỡ h thng cú th vn ang lm vic v cp in vo c quy. Khi thit k h thng tỏi sinh ny em chn mt xe c s thit k ú l xe TOYOTA PRIUS 2004 bn ch s dng h thng lai THS II. Cỏc kớch thc c bn ca xe chn thit k: L o = 2550 [mm]; L = 4308 [mm]; B = 1694 [mm]; H = 1463 [mm] (chiu cao ton b). Trng lng G a = 1574,2 kg. 2.3. Xỏc nh thnh phn cung cp ca mi ngun cụng sut. Chn tc ln nht ca xe l V max = 160 km/h, ta tớnh c cụng sut cn thit l N ct = 82 [kW]. Chn ng c xng TOYOTA 1NZ-FXE cú cụng sut 52 [kW], s vũng quay 4500 [v/ph] v ng c in MES 200-250 AC cú cụng sut 30 [kW], s vũng quay nh mc 8000 [v/ph]. Tớnh toỏn c quy: Hiu in th v cng cung cp cho ng c in: 220V, I = 136A. bo m hiu in th vi c quy Ni-MH (c mi Cell cú: 1,2V; 6,5Ah; nng lng riờng 65Wh/kg; cụng sut riờng 200W/kg) thỡ phi cn 184 Cell mc ni tip. Dung lng tng l Q p = 6,5.184 = 1196 [Ah]. Vi dung lng ny thỡ t p = 1196/136 = 8,79 gi. 2.4. Tớnh toỏn v thit k bỏnh . Xem hỡnh 3. Xột cỏc trng hp phanh v gim tc t do t tc ti a ca xe. - Khi phanh: t tc V max =160 km/h n dng li. + Cụng sut ln nht tiờu th khi phanh (tớnh ti bỏnh xe): P 1 = (Lc cn ln nht qui dn v bỏnh xe) x V 1 /2 [W] P 1 = W 1 /t p = W 1 / [V 1 /( p. g)] = m a .V 1 .g. p /2 = G a .V 1 . p /2. + Vy cụng sut tn dng 10% cho bỏnh l: P bd1 = P 1 .10% = G a .V 1 . p /20 = 28,1 [kW]. + Thi gian phanh l: t p = V 1 /g. p = 5,52 [s]. - Khi gim tc: t tc V max =V 1 =160 km/h v tc trung bỡnh V 2 =80 Km/h + Cụng sut ln nht tiờu th khi gim tc (tớnh ti bỏnh xe): P 2 = (Lc cn ln nht qui dn v bỏnh xe) x (V 1 -V 2 )/2 [W] P 2 = [G a .(a+bV) + kFV 2 ].(V 1 -V 2 )/2= 15,65 [kW]. + Tn dng 10% cụng sut ny thỡ cụng sut truyn xung bỏnh l: P bd2 = 1,56 [kW]. + Thi gian gim tc t do n dng xe: W gt /P 2 = 49,6 [s]. Tc quay ln nht ca trc bỏnh rng gim tc (12, hỡnh 2) vi bỏnh rng bao vi sai bỏn trc l 4852 [v/p] khi t s truyn lc chớnh i o = 4; b truyn bỏnh rng nún i br = 3; b truyn ai i d = 2,5; b truyn ai tng tc dn ng mỏy phỏt i bdt = 6,36 thỡ tc bỏnh l n bd = 647 [v/p]. bdmax = 647.3,1416/30 = 67,7 [rad/s]. Hỡnh 3. Kớch thc ca bỏnh . 10 ứ50 ứ70 25 ứ 1200 ứ1100 10 20 40 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(25).2008 21 Bánh đà thiết kế thỏa mãn phƣơng trình động năng: W bd = J bd . 1 2 /2 = W bd1 = 51815 [J]. Do 4 . .2 4 1 4 2 RRb J bd . Chọn R 2 = 600 [mm]; b = 40 [mm]. Vậy R 1 = 537 [mm]. Chọn R 1 = 550 [mm] vì thực tế J bd còn phải tính đến mô men quán tính các cánh bánh đà. Xác định khối lƣợng của bánh đà: m bd = V bd . bd = 65,63 [kg]. 2.5. Tính chọn máy phát điện cho hệ thống. Hình 4. Máy phát điện và các thông số máy phát của hệ thống lai. Chọn máy phát sử dụng cho hệ thống là máy phát xoay chiều ba pha kích thích kiểu điện từ không có vòng tiếp điện (loại này có tuổi thọ cao). Từ công suất tận dụng đƣợc của bánh đà đã tính toán, ta chọn máy phát điện và thông số của nó nhƣ hình 4. Công suất phát ra của máy phát là:P = U.I = 24.150 = 3600 [W]. Dãy tốc độ làm việc mà máy phát phát sinh điện là 9508000 [v/ph]. Với số vòng quay nhỏ nhất của máy phát nhƣ trên, tốc độ tối thiểu khi xe giảm tốc là 37 [km/h] (tốc độ bánh đà là 149,3 [v/p]) thì hệ thống tái sinh làm việc có hiệu quả, máy phát sinh điện nạp lại ắc quy. 2.6. Nạp điện. Trƣớc khi nạp điện vào ắc quy cần tăng điện áp lên trên 220V (điện áp của ắc quy) và phải là dòng một chiều. Dùng mạch chỉnh lƣu trang bị bộ điều chỉnh điện tử tạo điện áp ổn định và dùng biến thế nâng điện áp từ 24V lên 240V rồi nạp vào ắc quy. 2.7. Thông số của các bộ truyền trong hệ thống. Sau khi tính toán, ta có kích thƣớc các bộ truyền nhƣ hình 5. Ø82 59 Ø50 Ø20 80 40 Ø1200 Ø212 Ø462 22 Ø512 60 529 Ø378,1 Ø134,5 396,2 AA 1 8 9 5 7 6 4 2 A A 5 10 34 12 11 3 Hình 5. Kích thƣớc tổng thể hệ truyền động của hệ thống. OUTPUT VOL (V) CURRENT SPEED (rpm) SPEED IN USE(rpm) HOT(20) HOT(20) COLD 24V 150A 24 0 0 (0) 980 2500 5000 950-8000 133 114 (140) 150 127 (157) Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 22 1-Ly hợp; 2-Bộ truyền bánh răng nón; 3-Biến mô thủy lực; 4-Bánh đai chủ động giảm tốc; 5-Đai thang; 6-Bánh đà; 7-Bánh đai bị động giảm tốc; 8-Bánh đai chủ động tăng tốc; 9-Bánh đai bị động tăng tốc; 10-Máy phát; 11-Bánh răng bao của vi sai bán trục; 12-Bánh răng truyền lực. 3. Kết luận và hướng phát triển. Đây là đề tài khá mới mẻ về ô tô Hybrid nên việc nghiên cứu còn rất hạn chế do thiếu tài liệu và tài liệu hiện có hầu hết là Anh ngữ. Đề tài có thể áp dụng chế tạo và lắp đặt trên bất kỳ xe ô tô lai-Hybrid nào. Tuy nhiên, loại ô tô lai mới chỉ đƣợc triển lãm tại Việt Nam nên việc áp dụng đề tài vào thực tiễn chƣa phải là thời điểm hiện tại. Hệ thống cần đƣợc tiếp tục nghiên cứu để hoàn thiện hơn, nhất là máy phát điện của hệ thống, tính ổn định của xe khi có bánh đà. TÀI LIỆU THAM KHẢO. [1] MEHRDAD EHSANI, YIMIN GAO, SEBASTIEN E.GAY, ALI EMADI. Modern Electric, Hybrid Electric, and Fuel Cell Vehicles-Fundamentals, Theory, and Design. CRC Press LLC, Washington, 2005. [2] JAMES LARMINIE, JOHN LOWRY. Electric Vehicle Technology Explained. John Wiley & Sons Ltd, 2003. [3] RON HODKINSON AND JOHN FENTON. Lightweight Electric, Hybrid Vehicle Design. Butterworth-Hememann, Linacre House, Jordan Hill, Oxford OX2 8DP, 225 Wildwood Avenue, Woburn, MA 01801-2041, 2001. [4] BUÌI VÀN GA, HÄÖ SYÎ XUÁN DIÃÛU. Ô tô Hybrid: Phƣơng tiện giao thông cá nhân sạch phù hợp với điều kiện Việt Nam. Hội nghị Khoa học-Công nghệ kỷ niệm 40 năm Ngày thành lập Cục Đăng kiểm Việt Nam, pp.165-172, Hà Nội 16-4-2004. [5] Th.s LÊ VĂN TỤY. Hƣớng dẫn thiết kế ô tô (Phần truyền lực trên ô tô). Khoa Cơ khí Giao thông, Trƣờng Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng: http://www.dut.udn.vn/ [6] STEVEN J.BOYD. Hybrid Electric Vehicle Control Strategy Based on Power Loss Calculations. Blacksburg, Virginia, August 28, 2006. [7] BÙI VĂN GA, NGUYỄN QUÂN. Nghiên cứu hệ thống động lực cho ô tô Hybrid Việt Nam. [8] TOYOTA. Toyota Hybrid System-Toyota Technical Training, http://www.Autoshop101.com/ [9] NGUYỄN TRỌNG HIỆP, NGUYỄN VĂN LẪM. Thiết kế Chi tiết máy. NXB Giáo Dục, Công ty Cổ phần in Phúc Yên, 2005. [10] TRƢƠNG QUỐC THÀNH, PHẠM QUANG DŨNG. Máy và Thiết bị nâng. NXB Khoa học và Kỹ thuật, 70 Trần Hƣng Đạo, Hà Nội, 2000. [11] NGUYỄN HOÀNG VIỆT. Trang bị điện và điện tử trên ô tô. Giáo trình môn học lƣu hành nội bộ, khoa Cơ khí Giao thông, Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng. [12] TRẦN VĂN THỊNH, NGUYỄN THẾ CÔNG, LÊ VĂN DOANH. Điện tử công suất (tập I, II). NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội 2007.